[논문 리뷰] Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite

Sinéad M. Griffin|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 31.

Iron-based superconductors research인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 DFT에 Hubbard U를 사용하여 Pb 인산염 아파타이트에서 Cu 치환이 페르미 준위에서 국소화된, 평평한 Cu-지배 밴드를 만들어내며, Cu 유도 구조 왜곡과 Pb 원쌍–주도 카이랄 전하 밀도 파동에 의해 형성된다는 것을 보여주고, 저에너지 물리의 최소 두 밴드 모델과 잠재적 초전도성을 시사한다.

ABSTRACT

A recent report of room temperature superconductivity at ambient pressure in Cu-substituted apatite (`LK99') has invigorated interest in the understanding of what materials and mechanisms can allow for high-temperature superconductivity. Here I perform density functional theory calculations on Cu-substituted lead phosphate apatite, identifying correlated isolated flat bands at the Fermi level, a common signature of high transition temperatures in already established families of superconductors. I elucidate the origins of these isolated bands as arising from a structural distortion induced by the Cu ions and a chiral charge density wave from the Pb lone pairs. These results suggest that a minimal two-band model can encompass much of the low-energy physics in this system. Finally, I discuss the implications of my results on possible superconductivity in Cu-doped apatite.

연구 동기 및 목표

• Cu 도핑된 Pb 인산염 아파타이트에서 상관된 평평한 밴드의 구조적 및 전자적 기원을 이해한다.
• Cu 치환이 지역 배위 및 다면체 기울기에 어떤 영향을 미치는지 확인한다.
• 저에너지 모델 및 Cu-도핑된 아파타이트의 잠재적 초전도성에 대한 시사점을 평가한다.

제안 방법

• VASP로 밀도범함수 이론 계산 수행.
• U 값 2–6 eV의 GGA+U(Cu-d 상태) 적용; 주된 결과는 U=4 eV를 사용.
• 스핀-궤도 결합 포함; 전자 구조 및 투사 DOS 분석.
• Cu 유도 distortions를 포착하기 위해 구조를 Relax하고 AMPLIMODES로 대칭에 적합한 포논 모드 계산.
• Pb(1) 대 Pb(2) 위치에서 Cu 치환 비교 및 비-relaxed 구조를 테스트하여 강건성 평가.

Figure 1: (a) Lead-phosphate apatite structure with two inequivalent Pb sites as described in the main text. Columns of O or OH sit in the center column defined by Pb(2) hexagonal structure. (b) Calculated electronic localization function for Pb 10 (PO 4 ) 6 OH 2 . Oxygens surrounding Pb(2) are repe

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu 치환이 Pb10(PO4)6(OH)2 apatite에서 어떤 구조적 왜곡을 유도하는가?
• RQ2 Cu 치환이 Cu-d 파생 밴드와 페르미 준위에서의 격리성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저에너지 물리학을 설명하는 최소 두 밴드 모델(d_yz/d_xz)이 Cu-도핑된 apatite의 저에너지 물리학을 묘사할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 초전도성과 관련된 잠재적 경쟁 상호작용(자磁, 전하, 포논)은 무엇인가?

주요 결과

• Pb(1) 자리에서의 Cu 치환은 페르미 준위를 가로지르는 Cu-d 평평 밴드 두 개를 국한적으로 형성하며 대역폭은 약 130 meV이다.
• 이 평평한 밴드는 밸런스 밴드의 나머지 부분으로부터 약 160 meV 떨어져 있어 강한 상관 가능성을 시사한다.
• Cu 유도 왜곡으로 Cu 배위가 아홉배에서 육배로 바뀌며, Jahn-Teller 왜곡 삼각 프리즘을 형성하여 평밴드 형성에 기여한다.
• Pb(2) 원쌍이 카이랄 전하 밀도 파동을 생성하여 PO4 다형체를 통해 구조적 왜곡이 전파되며, 이 원쌍 활동은 전자 구조와 연결된다.
• Cu-d_yz/d_xz 상태에 초점을 맞춘 두 밴드 모델이 저에너지 물리를 포착할 수 있으며, 스핀 분극 및 완만한 U 의존성에서도 평밴드 특성이 유지된다.
• Cu가 Pb(1) 자리에 있을 때 아울러 Cu-Cu 수평 교환은 약 2 meV당 FM이며, 평면 내 결합은 Cu당 약 7 μeV AFM으로 나타난다.

Figure 2: (a) Lead-phosphate apatite structure showing nine-coordinated Pb(1) sites. (b) Cu-substituted structure showing six-coordinated Cu and Pb(1) sites with distorted trigonal prism coordination with two different bondlengths are a rigid twist of $\approx 24^{\circ}$ between the upper and lower